MJS工法在上跨既有隧道基坑工程中的应用
薛清涛
摘?要：某明挖地铁车站出入口基坑位于既有盾构区间正上方且邻近年嘉湖，部分基底处于地下水丰富的砂卵石层与泥质粉砂岩交界处，用MJS工法对上跨段基坑内和基坑外土体进行了加固。现场经过试桩，获取了正确的施工参数，取得了很好的加固和止水效果，上跨段基坑实现了分段垂直开挖，减小了既有盾构隧道的上浮，加快了基坑施工速度，值得类似工程借鉴参考。
关键词：基坑;MJS工法桩;试桩;上跨既有隧道;加固止水
文章编号：2095-4085（2020）08-0109-04
目前，常用的基坑加固及止水方式有冻结法、深层搅拌桩、高压旋喷桩、袖阀管注浆、WSS注浆等方法，这些土体加固方法都有一个共同的特点如后。施工过程中地内压力不可控，容易造成地面隆起、地表开裂等，影响周围建（构）筑物、地下管线设施的正常使用，甚至产生较为严重的破坏[1]。本工程地铁出入口基坑正下方为已铺轨试运行的盾构隧道，基坑开挖过程需采取措施防止区间隧道上浮及选取切实有效的止水方式防止桩间渗漏，提高基坑施工速度。
MJS工法是在原来高压喷射注浆工艺基础上，采用独特的多孔管和强制排泥装置，实现了泥浆强制排放和地内压力监测，不仅成桩直径大、质量好，还能减少对周边环境的影响。
本文通过介绍MJS工法在该基坑工程中的应用经验，希望此工法能在类似工程施工及设计中得到更广泛的应用。
1?工程概况
长沙地铁3号线烈士公园东站主体结构已施工完成并恢复路面，4号出入口位于车站主体结构西南角，基坑平面形状呈L型，采用明挖法施工，设置一道混凝土支撑，两道钢支撑。基坑接主体一侧与既有盾构隧道位置平行，基坑上跨长度23m，盾构区间管片外径3000mm，厚度50cm，管片顶部距离基底1.8～2.2m，4号出入口平面位置见图1。
原设计工况为完成出入口结构施工后再进行盾构施工，但受4号出入口管线迁改影响，盾构区间贯通后才进行区间上部围护桩施工，隧道区间铺轨完成并进行试运行后尚未开始基坑开挖。
出入口与隧道位置关系MIB模型见图2。
1.1?地质水文情况
开挖范围地层依次为①杂填土，厚度4.5m～6.7m;②淤泥质粉质黏土，深度2.2～6.2m;③粉质黏土，最大厚度6.6m;④细砂、圆砾，平均厚度1.8m;⑤残积质粉质黏土，厚度0.5m;⑥强风化泥质粉砂岩。富水地层为砂卵石与泥质粉砂岩软硬交界处。
1.2?周边环境
基坑北侧为12层的冰火楼小高层建筑，地下室一层，埋深4～5m，离基坑最近距离3m;南侧为晚报大道，离基坑最近距离1 m;西侧为年嘉湖，离基坑最近距离200m。基坑外管线：6根10kV电力线、1根DN400自来水、1根DN1500的污水管。
2?工程重難点分析
（1）基坑邻近年嘉湖，开挖后存在水系连通的可能。确保砂卵石层与泥质粉砂岩软硬交接处不发生渗漏，保证基坑开挖及结构施工速度是本工程的重点。
（2）盾构区间提前完成，造成工况改变，导致隧道上方围护桩嵌固深度不足，将引起围护桩踢脚稳定性不足，如何提高基坑内被动区土体反力至关重要。
（3）因盾构区间正上方覆土厚度较小（1.8～2.2m），基坑开挖后围护桩受力变形传给盾构隧道的水平附加应力，加上隧道顶部基坑开挖卸载作用，将可能造成盾构隧道向中间挤压变形，如何采取措施防止隧道上浮是重中之重。
综上所述，基坑开挖前必须采取行之有效的方法，保证基坑加固及桩间止水效果。
3?MJS工法的具体应用
3.1?必要性分析
本工程施工选择MJS工法的主要原因有以下几个方面。
（1）根据东侧附属基坑开挖的暴露情况，双管旋喷桩和三管旋喷桩在砂卵石层与泥质粉砂岩交界处止水效果较差，达不到预期的止水效果，造成基坑开挖、清底难度非常大，降低了工效。
（2）根据现场实际，场地较小，不适用于三轴搅拌桩等体积较大的设备进行施工，MJS工法设备小，对施工区域需求不大。
（3）MJS工法有强制排泥装置，地内压可控，不仅可以减少对盾构管片的影响而且成桩直径大加固效果好，加固体强度高，能够有效增加被动区土压力。如图3所示。
（4）MJS工法施工自动化程度高，施工参数均可以可以提前设定，能够减少劳动强度和人为原因带来的质量问题[2]。
3.2?MJS工法主要原理
MJS工法采用多孔钻杆和带有强制排泥装置的钻头。钻杆中心有专用的排泥通道，由于倒吸水流的作用，使排泥口的内部与外部形成压力差，外面的泥浆被强制吸入，垂直向上的空气流和水流压力推动泥浆排至地面。如图4～图5所示。
另外，在MJS钻头的圆形喷口周围有一个环形的空气喷射环，在水泥浆射流的周围形成了空气保护膜，这种喷射方法用在土体或液体介质中喷射时，可减少喷射压力的衰减，使之尽可能接近在空气中喷射时的压力衰减率，从而扩大喷射半径。
3.3?设计概况及参数要求
MJS工法桩设计桩径2m，中心间距1.2m，基坑内上跨隧道范围共布置131根桩，基坑内加固范围为基底以下1m，基底以上3m，有效桩长4m。基坑外共布置止水桩39根，止水桩底部深入岩层以下0.5m，顶设部加固至砂层以上0.5m，有效桩长2.5～4.0m。另外，为防止出入口斜坡段开挖时渗漏水，基坑内设置4根封端桩，封端桩加固范围同桩外止水桩。
设计要求：注浆压力≤40MPa，空气压力0.7MPa，地内压制范围0.1～0.3MPa，水灰比1 ∶1，水泥浆用量2m3/m，提升速度15min/m，钻杆旋转速度4r/min，浆液流量85L～100L/min。
3.4?主要施工流程
（1）引孔?本MJS主机不具备引孔功能，采用专用钻机引孔，钻孔直径≥200mm，基坑内加固时，遇到支撑位置对桩位进行局部调整，保证孔位偏差不超过20mm。由于喷浆孔高于钻杆底部50cm，成孔深度要比设计实桩桩底标高深50m，同时严控成孔底标高，防止对盾构管片的损害。
（2）护壁?根据现场实际，地层中含有淤泥层及砂卵石层，成孔过程中容易塌孔，现场使用膨润土进行造浆，利用钻机的循环泥浆功能有效的防止孔壁坍塌。
（3）下放钻杆?引孔钻机移除后，使用吊车将MJS主机吊装对准孔位，利用主机自身调平功能进行调平。主机支腿底部务必保证地基坚实，主机下部可以铺设强度较高的路基板作为支撑。钻杆下放困难时需重新引孔或打开切削水钻进，严禁使用主机液压系统强制将钻杆压入。
（4）参数设置?钻杆下放到设计位置后，开始校零，使表盘“0”刻度、高压喷嘴、钻杆上竖线标识处于同一条直线，然后设定好提升速度、回转次数、喷射角度等开始喷浆作业。
（5）喷浆提升?喷头到达预定深度后，先开倒吸气和倒吸水，确认强制排浆正常时，开启高压水泥泵并逐步增压，直到达到指定压力才可开始提升。
（6）钻杆拆卸、钻机移位?成桩深度较深的时候，钻杆需要随提升（一般不超过4.5m）随拆解，钻杆拆解过程中需要注意检查密封圈的完成性，钻杆拆解后必须及时用清水冲洗防止钻杆堵塞。本工程加固深度较浅，可以在单桩施工完成后再进行钻杆拆解。
3.5?主要材料及设备
MJS工法采用42.5级散装普通硅酸盐水泥，水泥浆搅拌用水为自来水，自来水流量需满足现场施工要求，现场接入流量>25m3/h。
设备配置详见表1。
3.6?试桩施工及施工参数确定
根据场地实际情况，选取基坑内22#桩（360°喷射）和基坑外06#桩（180°喷射）进行试桩，试桩位置见图6。试验桩施工参数：提升速度2～2.5cm/min，注浆压力38～40MPa，水灰比1 ∶1，浆液流量88L～91L/min，主空气压力0.8～1.0MPa，倒吸水压力20MPa。
试桩完成15d后，为检验试验桩的施工质量情况，分别对基坑外06#桩、基坑内10#桩进行了抽芯检测取样。抽样位置分别为离桩位中心600mm、1200mm。根据现场实际抽样结果分析，MJS工法桩在试验桩的施工参数下进行施工扩散直径至少可达2.4m，尤其在砂卵石层中水泥与砂子及卵石凝结效果更好，芯样强度更高，试验桩施工15d后的芯样如图6所示。
3.7?现场问题及解决措施
（1）废浆处理。MJS工法排泥量大，实桩范围内的土体被水泥浆1 ∶1置换并强制排出，高峰时段现场配置了2台MJS设备进行施工，设备排泥量可达20m3/h，废弃泥浆稠度很大，自然沉淀耗时长，废浆不能直接排入市政管道。长沙地区白天泥浆无法外运，只能趁晴天夜间外运，大量废浆泥浆不仅影响了施工进度还占用了宝贵的施工场地。
现场采用了絮凝劑沉淀和生石灰固化结合处理法。泥浆水中加入阴离子悬浮剂-聚丙烯酰胺（PAM），利用施工机械或泥浆泵循环使PAM与泥浆水充分混合。由于泥浆水是一种水中含有一定量的微细泥颗粒的悬浮液体，高分子絮凝剂是一类水溶性的高聚物，将其与泥浆水混合时，由于絮凝剂具有架桥、网捕、吸附和电性中和等功能，可以破坏泥浆水的稳定性，使泥颗粒从水中迅速凝聚、沉降，从而达到泥水分离效果，泥浆沉淀后上层清液可以直接排放[3]。
上层清液抽排后，将生石灰拌入泥浆中，在挖机的强制搅拌作用下使泥浆快速失水固化，达到直接装车外运的目的。
（2）周边环境保护。项目属长沙市重点项目，出入口位置位于车站北路与晚报大道交叉口且周边均为高档小区，出入口上跨盾构隧道施工风险大，项目受关注度、文明施工要求高，针对上述情况采取如下措施。
①严格按照MJS试桩得到施工参数进行施工，尤其注重地内压力的控制，防止地内压过大造成地表隆起，管线变形。
②布设喷淋管道、雾炮机等除尘降尘设备并保持喷浆时开启状态，尤其在水泥罐自动加注水泥，泥浆加生石灰搅拌进行处理时有效控制了现场扬尘。
③在现场发电机烟囱及散热口处设置了降噪装置，夜间22：00以后停止施工，防止噪音扰民。
④加强周边管线、既有隧道、建筑物的监测。专门针对下方隧道采用了智能化监测手段，在基坑正下方的隧道内布设了拱顶、道床、拱腰等变形监测点，利用智能化监测手段安全方便的实现了对隧道的24h监测。
（3）喷浆串孔。MJS成桩直径大，喷浆时易发生串孔。喷浆串孔一是影响上个桩位的成桩质量，二是串孔施工使孔位堵塞，MJS主机钻杆无法顺利下放到位，需要二次引孔。为避免这种情况，现场引孔按照隔一引一或隔二引一，防止串孔发生。
4?实施效果
根据4号出入口基坑开挖阶段现场揭示的情况，上跨段范围采用MJS工法加固效果很好，各桩体相互嵌固，强度较高（28d抽芯单轴无侧限抗压强度3MPa，满足设计不小于1.5MPa的要求），单纯挖掘机开挖困难，需要炮机破碎后再开挖;同时，桩外止水效果较好，基底无较大渗漏点。上跨段基坑顺利实现了垂直开挖、留土压重、分段进行结构施工的目的。根据第三方监测数据，隧道累计最大上浮2.5mm，小于《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202—2013）中的预警值10mm及控制值20mm。
5?结?论
在缺乏上跨既有盾构隧道出入口基坑施工经验的情况下，采用MJS工法对基坑内进行加固和桩外止水取得了预期效果，虽然MJS工法桩费用较传统旋喷桩价格较高，但取得了良好的加固效果，减小了隧道上浮，顺序完成了上跨段出入口基坑及结构施工，赢得了监理和业主单位的认可。
参考文献：
[1]宋锐.浅谈MJS工法的施工原理及应用[J].城市建设理论研究（电子版），2012，（34）.
[2]张钦喜，陶韬，王晓杰，翟玉新.钻孔灌注桩废弃泥浆絮凝处理工程应用[J].土木工程，2015，4（6）：251-259.
[3]徐宝康.MJS工法在邻近地铁车站的深基坑中的工程实践[J].建筑施工，2015，（07）：781-783.
